光伏技术在变电站所用电系统中的应用协会论文.docx

光伏技术在变电站所用电系统中的应用协会论文.docx

《光伏技术在变电站所用电系统中的应用协会论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光伏技术在变电站所用电系统中的应用协会论文.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

光伏技术在变电站所用电系统中的应用协会论文

光伏技术在变电站所用电系统中的应用

宋杰刘建伟宋靖瑶姜文哲孙岩

大庆油田电力工程设计院

【摘要】本文根据光伏发电系统的原理及组成，针对具体安装地点进行计算分析，提出了太阳能光伏发电在大庆油田试应用的具体解决方案。

通过工程实际验证，探讨了太阳能光伏发电系统在变电站应用的可行性，并提出了其在变电站新建工程中应用的设计方案。

【关键词】太阳能；光伏技术；变电站所用电源

0引言

能源是人类赖以生存的基础，是社会经济可持续发展的物质保障。

因此，开发利用新能源和可再生能源，提高能源利用效率是我国能源可持续发展的基本方向。

在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未来能源。

太阳能的利用主要有光热利用、光化学利用和光伏利用三种形式。

热利用的主要形式是太阳能热水器、太阳能建筑以及太阳能热发电。

太阳能热水器在太阳能热利用中商业化程度最高，太阳能建筑在目前城乡建筑结构中应用越来越多，太阳能热发电随着技术的发展，成本逐渐降低，变得越来越可行。

光化学利用主要指太阳能光合作用、太阳能化学储存、太阳能催化光解水制氢、太阳能光电化学转换等方面的新技术，其中令人看好的太阳能制氢技术将可能是促进人类大规模利用太阳能的关键技术之一。

光伏利用的主要形式是光伏发电，有独立供电、并网型和混合型三种工作方式。

本文主要对并网型光伏发电系统在变电站新建项目中应用研究。

1光伏发电系统原理及构成

1.1光伏发电原理和组成部分

太阳能光伏发电技术是通过转换装置把太阳辐射能转换成电能的技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的。

光伏发电系统主要由以下四部分构成：

（1）光伏电池阵列；

（2）储能系统；（3）逆变器；（4）直流控制系统；（见图一）

图1光伏发电典型结构框图

1.2并网型光伏发电系统

并网光伏发电方式是将太阳能电池阵列所发出的直流电通过逆变器转变成交流电能输送到公用电网中，无需蓄电池进行储能，相比较而言，并网光伏发电造价低，而且完全无污染。

并网光伏发电系统采用的并网逆变器具有自动相位和电压跟踪装置，能够非常好的配合电网的微小相位和电压波动，不会对电网造成影响。

目前国际上90%以上的太阳能系统采用并网光伏发电，并网光伏发电是太阳能发电系统的趋势所在。

2太阳能光伏发电应用中的技术难题及研究方向

2.1由于并网型光伏发电系统是不允许光伏系统发出的电力向上一级电网输送，要求必须就地消耗掉。

因此，设计过程中考虑了让光伏系统的容量小于负载的容量，以免向上一级电网倒送功率。

尽管如此，还是要考虑防止光伏系统的出力盈余情况的发生。

这是并网光伏发电系统应用中的一个技术难点。

2.2太阳能发电受天气因素影响明显，温度、光照强度、云雾天气空气质量（有无粉尘污染）等因素都会造成光伏发电效率降低。

因此，设计中需着重于当地特定的条件下，实地研究天气因素对太阳能光伏系统发电效率的影响，找出如何提高光伏系统效率、改善光伏发电经济效益的应对方法。

2.3研究确定太阳能光电板的安装角度。

目前建设一个太阳能发电系统的成本较高，从我国现阶段的太阳能发电成本来看，其花费在太阳电池组件的费用大约为60～70％。

因此，为了更加充分有效地利用太阳能，研究确定太阳能光电板的安装角度和跟踪方法是十分重要的问题。

与该问题密切相关的问题包括：

方位角、倾斜角和阴影处理。

（1）方位角

太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。

一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池发电量是最大的。

在偏离正南（北半球）30°度时，方阵的发电量将减少约10％～15％；在偏离正南（北半球）60°时，方阵的发电量将减少约20％～30％；北面基本不发电。

但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。

在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。

方阵设置场所受到许多条件的制约，例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置时屋顶的方位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。

因此，如何将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致至关重要。

（2）倾斜角

倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。

一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。

但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于50％～60％）等方面的限制条件。

此外，还要进一步考虑其它因素。

对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。

特别是在倾斜角大于50°～60°以后，日射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。

向南倾斜最佳倾角安装的太阳电池发电量最高，其它朝向全年发电量均有不同程度的减少，特别是北面基本不发电。

（3）阴影对发电量的影响

一般情况下，在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。

因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减少约10％～20％。

通常，建筑物的周围会存在阴影，因此在选择敷设方阵的地方时应尽量避开阴影，使阴影对发电量的影响降低到最低程度。

另外，如果方阵是前后放置时，后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后，前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响。

通过分析，具体的太阳电池方阵设计，在合理确定方位角、倾斜角和阴影的影响同时，还应进行全面的考虑，才能使方阵达到最佳状态。

目前，太阳能光伏电池方阵的安装分为固定式和跟踪式两种：

1）固定安装方式直接将太阳能光伏组件朝向低纬度地区放置（与地面成一定的角度），以串并联的方式组成太阳能光伏阵列，从而达到太阳能光伏发电的目的。

2）跟踪系统安装方式是当太阳光线垂直于电池面板时，太阳能接收到的太阳能最大，发电功率也最高。

但是地球时时刻刻都在进行公转和自转，因此太阳光线角度是时刻都在发生变化的。

安装跟踪系统是尽量去对准太阳，以便在电池面板单位面积接收到的太阳光线更多，从而增加发电量。

跟踪式又分为水平单轴跟踪，斜单轴跟踪，双轴跟踪，等多种跟踪形式。

3太阳能光伏发电在变电站所用电源中应用设计

3.1光伏发电安装方式及原理

太阳电池组件朝向与倾角设计

不同朝向与倾角安装的太阳电池的发电量比较（见图示）:

假定向南倾斜最佳倾角安装的太阳电池发电量为100，则其它朝向全年发电量均有不同程度的减少，特别是北面基本不发电。

光伏组件安装方向应一致，朝向正南，有利于最大收集太阳辐射。

与独立光伏发电系统需要照顾冬天发电量不同，并网光伏发电系统一般只需考虑全年总发电量最大。

并网光伏发电太阳电池方阵的安装倾角应该是取全年能接收到最大太阳辐射量所对应的角度，根据当地的气象和地理资料,可以求出全年能接收到最大太阳辐射量所对应的角度即为方阵最佳倾角。

通过专业能源项目分析软件RETScreen可以得到大庆坐标为北纬纬度为46.49°,东经125.01的相关气象数据信息，如下表：

由上表可以看出，大庆地区的在40°左右倾角上的日平均峰值日照时间为4.05小时。

3.2遮挡设计

应当避免遮挡：

对于晶体硅太阳电池组件，很小的遮挡就会引起很大的功率损失，对于整个电站来说，如果过多组件有遮挡，系统直流电压会大幅度衰降，造成实际发电量少。

太阳电池方阵遮挡间距计算：

按照国家标准公式计算间距：

当光伏电站功率较大，需要前后排布太阳电池方阵，或当太阳电池方阵附近有高大建筑物或树木的情况下，需要计算建筑物或树木的阴影，以确定方阵间的距离或太阳电池方阵与建筑物的距离。

一般确定原则：

冬至当天早9：

00至下午3：

00太阳电池方阵不应被遮挡。

新建变电站中光伏按照与建筑结合等因素采用38度倾角安装方式，以大庆油田110kVxx变电站为例，光伏组件安装在变电站楼顶，共安装组件148块，前后排之间预留3.5米的安装和检修通道，同时避免前后排遮挡，安装侧面图如下图所示。

另外，为避免高出屋面的女儿墙等对太阳能电池组件造成遮挡，在排布组件时要求避开遮挡区域，最终安装组件148块，总安装太阳能电池组件功率为44.4kW。

安装平面图如下图

其中安装单轴跟踪系统共计32块组件（含蓄电池光伏系统区域），安装双轴跟踪系统6块组件，安装固定角度系统110块组件。

光伏系统安装平面图

双轴跟踪系统单轴跟踪系统固定角度系统

3.3光伏系统接线设计

光伏发电系统按照分块发电，集中并网进行设计，即发电系统分成4个子方阵系统，最终经由并网逆变器接入变电站所用电系统（380／220V/50Hz）实现并网发电功能。

并网发电系统如图所示

光伏组件按照一定数量串联组成单个太阳能电池方阵，若干个太阳能电池方阵并联汇流后接入并网三相逆变器，通过逆变器将直流电转换为与所用三相低压交流电同频率、同相位的正弦波交流电，从而实现并网发电，为变电站所用电源提供一回进线分电源。

3.4并网逆变器：

本项目在双轴跟踪系统上采用2.5kW并网逆变器1台，单轴跟踪系统采用10KW的光伏并网逆变器1台，固定角度的光伏系统采用30KW的光伏并网逆变器1台和6kW并网逆变器1台，该项目采用的逆变器输入电压的范围大，保证了接入的光伏阵列有了更多的组合方式。

3.5组件串并联设计

本项目总计安装光伏组件148块，双轴跟踪系统采用6块组件串联，串联后采用一台2.5kw并网逆变器；单轴跟踪系统，共计32块组件，采用8块组件串联4组并联方式供电，采用一台10kw并网逆变器；固定角度系统共计安装组件110块，其中88块采用8块组件串联11组并联的方式供电，采用一台30kw并网逆变器。

3.6防逆流控制器

针对低压配电网侧的光伏并网发电系统，一般认为光伏发电功率不大于并网侧上级配电变压器容量的25%是合适的。

目前，电网公司通常要求光伏并网系统为不可逆流发电系统，即光伏并网系统所发的电由本地负荷消耗，多余的电不允许通过低压配电变压器向上级电网逆向送电。

并网发电系统中，由于外部环境是不断变化的，为了防止光伏并网系统逆向发电，系统需要配置1套防逆流控制器，通过实时监测配电变压器低压出口侧的电压、电流信号来调节系统的发电功率，从而达到光伏并网系统的防逆流功能。

3.7系统发电量设计

本项目太阳能光伏发电系统由光伏组件、防雷汇流箱、直流监测配电柜、并网逆变器、计量装置组成。

太阳能通过光伏组件转化为直流电力，通过防雷汇流箱、直流监测配电柜汇集至并网逆变器，将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流。

在光伏电场理论年发电量的基础上，实际上网电量还会受安装倾角、方位角、灰尘、局部阳光遮挡、逆变器效率、输电线损等综合因素影响。

在理论年发电量的基础上，乘以综合修正系数，估算出光伏电场的第一年年上网电量为约5.6万kWh，25年使用寿命的发电量总和约为140万kWh。

3.8后台监控

（1）后台监控系统主界面能显示整个光伏发电的系统结构图。

上面一排是导航栏，点击相应的按钮就可进入相应的监视画面。

单击30kW、10kW、2.5kW逆变器的图片，可以进入相应逆变器的详细数据监视画面。

主界面只显示实时功率及发电量等主要信息。

最下一栏是显示整个光伏系统总发电功率，相关发电量信息及重要环境监测数据。

（2）光电系统中的防逆流控制系统，防止光电系统发的电流向电网。

该系统由数据采集器自动控制。

当交直流配电柜上的控制转换开关打到自动档，防逆流系统就可以正常运行。

打到手动档，防逆流系统停止运行。

（3）发电量统计界面——该界面显示的是整个光电系统的发电日统计，月统计、年统计、生命期统计及单双轴固定式系统的发电对比。

（4）节能减排界面——该界面显示的是整个光电系统的累积节能减排量。

4结束语

通过太阳能光伏发电技术在大庆油田电力的试点应用，积累了该技术在民用和变电站中应用的经验，将推动光伏发电技术在大庆油田的全面应用。

同时，也会对变电站设计中新能源应用模式提出新的方向。

参考文献

[1]《光伏电站接入电网技术规定》Q/GDW617-2011

[2]《光伏系统并网技术要求》GB/T19939-2005

作者简介

宋杰，硕士研究生，工程师，电气工程管理，主管生产副院长。

刘建伟，硕士研究生，工程师，电气设计，电网部主任工程师。

宋靖瑶，大学本科，技术员，电气管理

姜文哲，大学本科，高级工程师，电气设计。

孙岩，硕士研究生，工程师，电气设计。